Как образовалась Вселенная
Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала.
Определение Вселенной
Само слово «Вселенная» происходит от латинского «universum». Впервые его использовал Цицерон, а уже после него оно стало общепринятым у римских авторов. Понятие обозначало мир и космос. На тот момент люди в этих словах видели Землю, все известные живые существа, Луну, Солнце, планеты (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн) и звезды.
Иногда вместо «Вселенная» используют «космос», которое с греческого переводится как «мир». Кроме того, среди терминов фигурировали «природа» и «все».
В современном понятии вмещают все, что существует во Вселенной – наша система, Млечный Путь и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.
Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной.
Теории происхождения Вселенной
Креационизм: все создал Господь Бог
Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога.
Например, Альберт Эйнштейн говорил:
«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им.»
Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)
Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Отвечает на вопрос — каким образом образовались химические элементы и почему распространённость их именно такая, какая сейчас наблюдается.
Согласно этой теории, около 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. Однажды из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.
Теория Большого взрыв
Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.
Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон.
Теория Большого Взрыва тверже встала на ноги после открытия космологического красного смещения и реликтового излучения. Два этих явления — самые весомые доводы в пользу правильности теории.
Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.
Модель расширяющейся Вселенной
Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется.
Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит общая теория относительности и её геометрический взгляд на природу гравитации.
Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.
Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвин.
Теория эволюции крупномасштабных структур
Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему.
Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы.
Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория».
Суть — вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магеллановы облака ), но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики.
В последнее время верность теории поставлена под вопрос.
Теория струн
Эта гипотеза в некоторой степени опровергает Большой взрыв в качестве начального момента возникновения элементов открытого космоса.
Согласно теории струн, Вселенная существовала всегда. Гипотеза описывает взаимодействие и структуру материи, где существует определенный набор частиц, которые делятся на кварки, бозоны и лептоны. Говоря простым языком, эти элементы являются основой мироздания, поскольку их размер настолько мал, что деление на другие составляющие стало невозможным.
Отличительной чертой теории о том, как образовалась Вселенная, становится утверждение о вышеупомянутых частицах, которые представляют собой ультрамикроскопические струны, которые постоянно колеблются. Поодиночке они не имеют материальной формы, являясь энергией, которая в совокупности создает все физические элементы космоса.
Примером в данной ситуации послужит огонь: глядя на него, он кажется материей, однако он неосязаем.
Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде
Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные.
Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
Теория Ли Смолина
Эта теория достаточно известна и предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.
Эволюция Вселенной
Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.
Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).
Что было до появления Вселенной
Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?
Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный как и один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пытались понять природу до сотворения Вселенной. Они пришли к выводу , что просто не было никакого «до».
В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.
Теория Мультивселенной
Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.
Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.
Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)
В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.
Теория белых и черных дыр
Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.
Большой скачок
Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв.
Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования Вселенной.
Теория циклической Вселенной
Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.
Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.
Проблемы современных моделей рождения и эволюции Вселенной
Многие теории, касающиеся Вселенной в последнее время сталкиваются с проблемами, как теоретического, так и, что более важно, наблюдательного характера:
- Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерного пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.
- Неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах.
- Также неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна.
- Существуют предположения, что Вселенная изначально родилась вращающейся. Классическим представлением о зарождении является идея об изотропности Большого взрыва, то есть о распространении энергии одинаково во все стороны. Однако появилась и получила некоторое подтверждение конкурирующая гипотеза о наличии изначального момента вращения Вселенной.
Видео
Источник
Как появилась Земля
Существуют различные гипотезы о том, как появилась Земля. Человечество на протяжении многих столетий пытается раскрыть тайну возникновения нашей планеты и жизни на ней, однако учёные до сих пор не приблизились к разгадке.
О ранних теориях происхождения
Учёные выдвигали разные теории о том, как появилась Земля. Например, в восемнадцатом столетии французские исследователи считали, что наша планета возникла в результате космической катастрофы, когда Солнце столкнулось с кометой. Английские учёные утверждали: астероид, пролетавший мимо светила, отсек его часть, из которой в дальнейшем образовались многие небесные тела. Германские исследователи полагали, что планеты, составляющие Солнечную систему, были образованы из огромного холодного пылевого облака. Из невероятного количества разрозненных теорий можно сделать только один вывод: создание Земли обладает неразрывной связью с процессом формирования всех планет и звёзд, составляющих систему Солнца.
Формирование Земли
Образование Земли связывают с туманностью, представлявшей собой обломки звёзд, относящихся к более ранним поколениям. Сформировали её микроскопические частицы железа, льда и прочих веществ, которые были сосредоточены в охлаждённых звёздных слоях и выброшены в космическое пространство. Благодаря силам притяжения частицы газовых дисков сталкивались и склеивались друг с другом. Данный феномен известен как аккреция.
Исследователи изучают происхождение Земли по горным породам, однако возраст древнейших из них насчитывает не более 3,7 миллиарда лет. По этой причине все предшествующие события, касающиеся эволюционного развития нашей планеты, являются всего лишь гипотезами и опираются на косвенные данные.
Следующий этап создания Земли характеризовался соединением мелких частиц в планетезимали (небесные тела, состоящие из частиц пыли протопланетных дисков). Сталкиваясь, разрушаясь и соединяясь, за несколько миллиардов лет планетезимали, выполняющие роль строительных блоков, образовали ядро, которое стало центром-зародышем будущей Земли. Крупнейшие зародыши начали конкурировать друг с другом за остававшиеся свободными планетезимали. Данный процесс длился от одного до десяти миллионов лет. На протяжении всего периода происходил захват газовых облаков зародышами планет, образующими внутреннюю часть Солнечной системы.
Многие современные учёные сходятся во мнении, что процесс формирования нашей планеты длился около 400 миллионов лет, сопровождался падениями метеоритов и столкновениями с астероидами. Земля продолжила эволюционировать и после своего рождения. Разогрев недр осуществлялся благодаря двум видам энергии: образованной во время склеивания частиц и высвобождавшейся при ядерных реакциях. Данное явление спровоцировало процесс интенсивного формирования ядра и внутренних оболочек планеты.
Образование Земли на начальном этапе сопровождалось высокой температурой внутренних слоёв. Поэтому даже на незначительной глубине пролегали пласты, которые составляли преимущественно расплавленные горные породы. Догеологический (начальный) этап продолжался около 900 миллионов лет, однако на данный момент он является плохо изученным и скрывает массу неразгаданных тайн. На протяжении всего периода возникало много вулканов, выбрасывающих водяной пар и газ. Учёные считают, что в течение догеологического периода произошло формирование важнейших оболочек: коры, мантии и ядра. Причиной расслоения была метеоритная бомбардировка земной поверхности и последующее плавление ее отдельных частей.
Есть две основных теории возникновения земного ядра. Первая предполагает разделение изначального однородного ядра на силикатную мантию и более тяжёлый центр с расплавленным железом. Процесс образования жидкого ядра происходил по мере просачивания капель металла и других тяжёлых химических соединений к сердцевине Земли. Слои лёгкого шлака поднимались к земной поверхности в то время? как тяжёлые соединения опускались ниже. Именно они составляют современную планетную кору и внешние части мантии. У данного предположения отсутствует убедительное объяснение, касающееся «просачивания» расплавленного железно-никелевого сплава в глубину планеты на тысячи километров и достижения им ядра.
Вторая гипотеза утверждает, что основу железного ядра составляют части, оставшиеся от метеоритов, бомбардировавших поверхность молодой планеты. Она была покрыта каменными (силикатными) метеоритами, образовавшими мантию. Уязвимым местом данной теории является следующий фактор: такой феномен мог быть обусловлен исключительно поочерёдным падением железных и каменных метеоритов. Однако согласно данным исследований удалось выяснить, что метеориты, обладающие железной структурой, могли возникнуть только в результате разрушений уже сформированных планет. Таким образом, каждая из гипотез имеет ряд несогласований. Точной теории о том, как возникла Земля, на данный момент не существует.
Нельзя отрицать важность плотного внутреннего ядра планеты для всех живых организмов. Именно оно делает массу Земли достаточно большой для удержания водяных паров и атмосферных газов в гравитационном поле. Без них не могут существовать гидросфера и прочие слои. В случае, если наша планета лишится собственного ядра, на ней не останется воздуха и воды.
Устройство земного ядра, возникшего на ранних этапах существования планеты, предполагает наличие внешних и внутренних оболочек. Учёные считают, что расстояние от поверхности до внешнего слоя составляет примерно 3000-5000 километров. Физические свойства ядра максимально приближены к жидкости. В его состав входят расплавленный никель и железо, обладающие превосходными показателями электропроводности. Данный слой позволяет существовать магнитному полю, создаваемому по закону Фарадея (электромагнитной индукции), что обеспечивает постоянное движение проводников тока.
В состав внутреннего ядра входят: диоксид кремния (20% от общей массы) и железо (80% от общей массы), а само оно расположено между внешним слоем и центром земного шара. Ядро имеет очень высокую температуру и большую плотность. У внешнего ядра есть связь с мантией, тогда как существование внутреннего является более автономным. Сочетание огромного давления с высокими температурами позволяет веществу оставаться в твёрдом состоянии. Предполагается, что даже самый лёгкий земной газ водород в подобных условиях пребывает в твёрдой форме.
Вопрос о том, как появилась Земля, и по сей день является открытым. Существуют различные теории о внутренней структуре планеты, однако ни одна из них не имеет достаточного количества доказательств. Большая часть исследователей сходится во мнении, что центральная оболочка начала формироваться одновременно с появлением Земли.
Ядро покрыто мантией. Слой пространства на глубине 2900 километров от центра к коре заполнен пластическим (нетвёрдым, полурасплавленным) веществом. Мантия обладает массой приблизительно 67% от общего веса планеты. Слой считается неустойчивым из-за того, что он пребывает в пластическом состоянии и перманентном движении. Толщина коры (внешней оболочки) варьируется от нескольких десятков километров (под материковыми плитами) до нескольких километров (под океанами).
На начальных этапах возникновения Земли слой коры был довольно тонким и представлял собой расплавленный базальт в застывшем состоянии. В наши дни выделяют следующие слои:
- базальтовый – пролегает на наибольшей глубине и состоит из самых твёрдых пород;
- гранитный – его составляют преимущественно гранит и метаморфические горные породы;
- осадочный – находится у поверхности, в нём преобладают осадочные породы.
Геологи хорошо изучили осадочный и гранитный слои, однако до базальтового пока что ещё никто не добрался. Из-за того, что он пролегает на больших глубинах, получить доступ к нему невозможно даже с помощью самой современной буровой скважины.
Получить косвенную информацию о том, как появилась Земля, можно используя новейшие сейсмические методы. При землетрясениях на глубине от нескольких десятков до семисот километров образуются сейсмические волны. Их скорость варьируется в зависимости от плотности среды распространения (к примеру, скорость звуковых волн в воздухе в разы ниже, чем в воде). Анализ скорости сейсмических волн позволяет получить вполне достоверные сведения о показателях плотности веществ на различных уровнях коры.
О том, как была сформирована поверхность древней Земли
Происхождение Земли на начальных этапах (4,5 – 4 миллиарда лет назад) сопровождалось расслоением внутренних материй. Метеориты бомбили поверхность, в результате чего образовывались кратеры. Удары высвобождали энергию, которая трансформировалась в тепловую. Метеоритный подогрев активировал вулканическое извержение и выход паров и газов из недр планеты. Внушительная площадь нашей планеты была покрыта расплавленной магмой, образовывавшей поля из базальта.
После возникновения Земли постепенно происходили метаморфозы в её внутренней структуре: кора, мантия и ядро неоднократно изменялись перед тем, как принять знакомую нам форму. После того, как возникла Земля, она обзавелась собственным спутником – Луной, над разгадкой появления которой бьются многие современные учёные. Наиболее убедительная гипотеза – Луна образовалась, когда два крупных небесных тела столкнулись друг с другом.
Луна сильно отличается от нашей планеты: на её поверхности отсутствует вода, однако оба небесных тела обладают похожими кислородными подписями (идентичным соотношением изотопов кислорода). Данные сведения наталкивают многих учёных на мысль, что Луна и Земля были сформированы из одинаковых планетезималей. Спутник оказывает существенное влияние на нашу планету, вызывая отливы и приливы как в океанах, так и в водах, скрытых под земной корой.
Об атмосфере и гидросфере
Создание Земли сопровождалось появлением базальтового слоя коры и расплавленной магмы, поднимавшейся по разломам вверх. В ней содержались газы. Высокие температуры и давление провоцировали бурное протекание химических реакций. В результате образовывался ряд привычных земных веществ, от угарного газа (монооксида углерода) и углекислого газа до водорода и азота. Таким образом? появление первичной атмосферы непосредственно связано с недрами планеты, однако она обладала массой отличий от современной.
После того, как появилась Земля, происходил активный выброс газовых облаков древними вулканами. Водородные и гелиевые поднимались на почтительную высоту и достигали космического пространства. Более тяжёлые облака удерживались притяжением планеты, поэтому они стелились вдоль поверхности. Именно эти газы образовали первичную атмосферу. Юную планету окружали: водород, метан, аммиак, углекислый газ, азот, инертные (благородные) газы, а также испарения плавиковой, борной и соляной кислот. Первичная атмосфера почти не содержала кислорода – его концентрация была ниже сегодняшней примерно в тысячу раз.
Кислорода во время появления Земли в свободной форме фактически не существовало, он входил в различные химические соединения. Атмосфера была ядовитой, непригодной для дыхания, и не имела озонового слоя, защищающего в наши дни всех живых существ от космического радиационного воздействия. Её обогащение осуществлялось последовательно за счёт продуктов сгорания метеоритных тел. После того, как появилась Земля, постепенно произошло изменение её атмосферы, а главными составляющими стали: кислород (20%), азот (75%) и аргон (чуть менее 1%). Значительно снизилось содержание водяных паров и диоксида углерода.
Происхождение Земли сопровождалось медленным охлаждением и формированием первичной атмосферы. В результате образовалась водная оболочка – гидросфера. Древняя атмосфера содержала водяной пар в больших количествах, вырывавшийся из глубины со слоями расплавленной лавы. Он конденсировался и выпадал в виде осадков. Водные потоки, собираясь на поверхности, скапливались в углублениях и постепенно становились озёрами. В результате циркуляции жидкости водоёмы увеличивались в размерах и превращались в океаны. В потоках присутствовали микрочастицы горных пород и ряд других веществ, что сделало морскую воду солёной.
Описание того, как появилась Земля, строится на гипотезах, поскольку учёные могут судить о том, как именно была сформирована гидросфера и первичная атмосфера исключительно по косвенным данным. Все существующие гипотезы как возникла Земля обладают противоречиями и неразгаданными по сей день тайнами. Современная наука располагает довольно незначительным количеством сведений, касающихся первого периода эволюции планеты.
Источник